lampiran a reaktor
TRANSCRIPT
A-01
LAMPIRAN A
REAKTOR
Fungsi = Untuk mereaksikan Butanol dengan Asam Asetat menjadi Butil
Asetat.
Jenis = Reaktor Alir Tangki Berpengaduk Dengan Jaket Pendingin
Waktu tinggal = 62 menit
Tekanan, P = 1 atm
Suhu operasi = 100 oC
Laju alir massa = 6542,38 kg/jam
A. Kinetika reaksi
Reaksi yang terjadi didalam reaktor:
Reaksi Utama :
k1
CH3COOH (cair) + C4H9OH (cair) CH3COOC4H9(cair) + H2O(cair)
k2
(Asam Asetat) (Butanol) (Butyl Asetat) (Air)
Leyes dan Othmer telah mempelajari tentang kinetika reaksi dari n-butil
alkohol dengan asam asetat pada suhu antara 0 - 1200C dengan menggunakan
asam sulfat sebagai katalis, dengan rasio n-butil alkohol dengan asam asetat dari
3-19,6 dan konsentrasi katalis mulai dari 0 - 0,14 % berdasarkan berat. Orde dari
A-02
reaksi ini ternyata dipengaruhi oleh temperatur dan konsentrasi dari katalis. Pada
1000
C dengan 5 mol alkohol per mol asam asetat dan tanpa katalis menunjukkan
bahwa merupakan orde reaksi 1, 2 dan 3 dengan waktu reaksi 8 jam (32 %
konversi asam menjadi ester). Pada 1000 C dan konsentrasi katalis yang lebih
rendah (0,0147%), menunjukkan orde reaksi kedua dan ketiga, tetapi konsentrasi
katalis di atas 0,015% menunjukkan orde reaksi ke dua dengan konversi 70-80%
dari asam asetat. Dengan 0,032% katalis dan 5 mol alkohol per mol asam, orde
reaksi tidak dapat diketahui pada suhu 00
C dan 300C, tetapi pada suhu 100
0 C atau
lebih tinggi reaksi esterifikasi merupakan orde ke dua dengan konversi 80-85%
(Jhon Mc. Ketta, 1976).
Tabel.1 Data Densitas
Komponen ρ (kg/m3)
C4H9OH 739,556
CH3COOH 960,425
H2SO4 1739,125
CH3COOC4H9 794,290
H2O 955,611
A-03
Tabel.2 Perhitungan Densitas dan Viskositas Campuran
Komponen
Massa
masuk
(kg/jam)
Fraksi
berat
ρ
campuran
(kg/m3)
Viskositas
(cps)
Viskositas
camp
(cps)
C4H9OH 3498,275 0,535 327,258 0,514 0,075
CH3COOH 2576,552 0,394 386,358 0,440 0,035
H2SO4 1,119 0,0001 0,186 4,356 0,001
CH3COOC4H9 199,362 0,03 12,781 0,289 0,185
H2O 266,894 0,041 132,846 0,279 0,038
Total 6542,203 1 859,430 0,333
Fraksi berat = Massa masuk tiap-tiap komponen / jumlah massa total
Densitas campuran = Fraksi berat x densitas ( masing-masing komponen)
Viskositas campuran = fraksi berat x viskositas ( masing-masing komponen)
Bahan masuk reactor = 6542,203 kg/jam
Densitas campuran = 859,430 kg/m3 = 53,652 lb/ft
3
A-04
1. Perhitungan Volume Reaktor
Tabel.3 Data Perhitungan Volume Cairan
ρ campuran : 859,429 Kg/m3 k : 0,118 m3/kmol jam
Volume cairan (Fv) : 7,943 m3/jam M : 0,909
Konsentrasi Butanol (CA0) : 5,941 Kmol/m3 xA1 : 0,800
Konsentrasi Asam asetat (CB0) : 5,401 Kmol/m3
Komponen Massa Fraksi Massa BM Kmol Fraksi Mol (x) ρ (kg/m3) ρ .x Fv=m/p
Butanol ( C4H9OH ) 3498,275 0,535 74,120 47,197 0,443 739,556 327,258 4,730
Asam Asetat ( CH3COOH ) 2576,552 0,394 60,050 42,907 0,402 960,425 386,358 2,683
Asam Sulfat ( H2SO4) 1,119 0,00017 98,080 0,011 0,000107 1739,125 0,186 0,001
Butil Asetat (CH3COOC4H9) 199,362 0,030 116,160 1,716 0,016 794,290 12,781 0,251
Water ( H2O ) 266,894 0,041 18,000 14,827 0,139 955,611 132,846 0,279
6542,203 1,000 106,659 1,000 5189,007 859,430 7,944
A-05
Konsentrasi Butanol (CA0) : Fv/kmol
: 7,943 / 47,197
: 5,941
Konsentrasi Asam asetat (CB0) : Fv/kmol
: 7,943 / 42,907
: 5,401
Nilai k
(
) ( )
(
) ( )
k = 0,188
Nilai M
M = CB0/ CA0
M = 5,401 / 5,941
M = 0,909
Tabel.4 Jumlah Reaktor dan Konversinya
n xA1 xA2 xA3 xA4
1.000 0.800
2.000 0.647 0.800
3.000 0.623 0.702 0.800
4.000 0.622 0.660 0.697 0.800
A-06
Tabel.5 Besarnya Volume Berdasarkan Jumlah Reaktor
n V1 V2 V3 V4
1.000 412,380
2.000 78,771 78,771
3.000 64,927 14,410 50,516
4.000 64,583 5,014 6,475 53,094
Diketahui :
Satu Reaktor
( )
( )( )
Dua Reaktor
( )
( )( )
Tiga Reaktor
( )
( )( )
Empat Reaktor
( )
( )( )
A-07
Setelah ditentukan optimasi reaktor, kemudian dapat dihitung jumlah reaktor yang
akan digunakan, serta harus dipertimbangkan jumlah reaktor dengan harga
reaktor, dalam tabel berikut ini :
Tabel.6 Perbandingan Jumlah Reaktor dan Jumlah Shell Reaktor
n V 1.2 x V
1.000 412,380 494,855
2.000 78,771 94,526
3.000 64,927 77,912
4.000 56,768 68,122
Gambar.1 Grafik Hubungan antara Jumlah Reaktor dan Volume Shell Reaktor
Dari grafik disimpulkan bahwa semakin sedikit jumlah reactor, volume akan lebih
besar dari pada menggunakan beberapa jumlah reaktor. Dilihat dari segi ekonomi,
jumlah reaktor berpengaruh pada harga reaktor per 2015 dari tabel berikut ini :
0,000
200,000
400,000
600,000
1 2 3 4
Vo
lum
e Sh
ell R
eakt
or
Jumlah Reaktor
Grafik Hubungan antara Jumlah Reaktor dan Volume Shell Reaktor
A-08
Tabel.7 Jumlah Reaktor dan Harga Reaktor
n V (m3) V (gal) Harga @ (US $) Harga alat (US $)
1.000 494.855 130726,976 1190400.000 1190400.000
2.000 94.526 24971,052 496000.000 992000.000
3.000 77.912 20582,156 447700.000 1343100.000
4.000 68.122 17995,929 446400.000 1785600.000
Gambar.2 Grafik Hubungan antara Jumlah Reaktor dan Harga Reaktor
Berdasarkan Grafik di atas maka digunakan 2 reaktor dikarenakan yang paling
ekonomis.
0,000
500000,000
1000000,000
1500000,000
2000000,000
1 2 3 4
Har
ga R
eakt
or
(US
$)
Jumlah Reaktor
Grafik Hubungan antara Jumlah Reaktor dan Harga Reaktor
A-09
2. Perhitungan Dimensi Reaktor
a. Menentukan umpan masuk
Tabel.8 Umpan Masuk Reaktor
Komponen Berat (kg) Fraksi Berat BM Kmol Fraksi mol
Butanol (C4H9OH) 3498.275 0.534724 74.120 47.197 0.443
Asam Asetat
(CH3COOH) 2576.552 0.393836 60.050 42.907 0.402
Asam Sulfat (H2SO4) 1.119 0.000171 98.080 0.011 0.000
Butil Asetat
(CH3COOC4H9) 199.362 0.030473 116.160 1.716 0.016
Water (H2O) 266.894 0.040796 18.000 14.827 0.139
Total 6542.203 1.000 106.659 1.000
b. Menetukan densitas umpan
Densitas dapat dilihat pada Tabel.2
A-010
c. Menentukan viskositan umpan
Viskositas dapat dilihat pada table 2.
d. Menentukan panas reaksi
Reaksi yang terjadi bersifat eksotermis, panas yang dikeluarkan adalah
sebagai berikut:
∫
Dimana :
∆HR = 2366071.5527 ∆HP = 1449418.456 ∆HR298 = -43698299.5374 ∆HRKS = -44614952.6342 (Reaksi Eksoterm)
e. Menentukan Neraca Panas Umpan di Reaktor
Tabel.9 Neraca Panas Umpan di Reaktor
Komponen Q in Q out
Arus 1 Arus 2 Arus3 Arus 8 Arus 4
Butanol (C4H9OH) 2613691.021 1120153.295 746768.863
Asam Asetat (CH3COOH) 813390.427 97606.851
Asam Sulfat (H2SO4) 3.253 1.685
Butil Asetat (CH3COOC4H9) 66994.652 1339893.049
Water (H2O) 14564.382 15324.240 0.187 120677.724 550747.385
Total 4764799.183 2735017.833
Q Reaksi 44614952.634
A-011
Subtotal 49379751.817 2735017.833
Q Pendingin 46644733.984
Total 49379751.817 49379751.817
3. Dimensi reaktor
a. Menghitung Dimensi Reaktor
Dimensi reaktor ditentukan berdasarkan pertimbangan agar reaksi yang
terjadi dalam reaktor berlangsung secara optimal, perpindahan panas berjalan
dengan baik. Reaksi yang berlangsung secara eksotermis karena adanya asam
sulfat yang mempercepat reaksi pembentukan dari Butil Asetat.
√
(Brownell, hal:43)
H = tinggi reaktor
D = diameter tube
Sehingga :
Perbandingan diameter dan tinggi reaktor yang optimum 1:2 (D:H = 1:2)
D = 6,222 m
A-012
= 20,412 ft
H = 3,111m
= 10,206 ft
Bentuk reaktor dipilih : vertical vessel dengan forme head
Dari hasil perhitungan tersebut, maka didapatkan volum reaktor, dengan
spesifikasi sebagai berikut :
V reaktor = 138,401 m3
Diameter Shell = 6,222 m
Tinggi shell = 3,111 m
Volume shell = 94,526 m3
Volume head = 43,875 m3
A-013
= 6,222 m
= 2,074 m (diameter pengaduk)
= 2,074 m (Jarak pengaduk)
= 0,518 m (Lebar Buffle)
=0,518 m (Lebar pengaduk)
= 1,244 m (Lebar Pengaduk)
c. Menghitung tebal dinding reaktor
Tebal dinding reaktor (shell) dihitung dengan persamaan :
(Brownell, 1979)
b. Menghitung diameter pengaduk
D M
H DI
W
E
B
L
A-014
Dimana :
ts = tebal shell, in E
= efisiensi pengelasan
f = maksimum allowable stress bahan yang digunakan
(Brownell,tabel 13-1, p.251)
r = jari-jari dalam shell, in
C = faktor korosi, in
P = tekanan design, Psi
(Bahan yang digunakan Stainless steel 304 Tabel 13.2
Coulson vol 6 hal 812)
E = 0,80
f = 23931,277 psi
C = 0,125
r = ID/2 = 55,263 in
P = 86,918 psi maka ts = 0,25 in
dipilih tebal shell reaktor standar 7/16 in
4. Menghitung head reaktor
a. Menghitung tebal head reaktor
Bentuk head : Elipstical Dished Head
Bahan yang digunakan: Stainless Steel 304
A-015
Keterangan gambar :
ID = diameter dalam head
OD = diameter luar head a
= jari-jari dalam head t
= tebal head
r = jari-jari luar dish
icr = jari-jari dalam sudut
icr b = tinggi head
sf = straight flange
OA = tinggi total head
Tebal head dihitung berdasarkan persamaan :
( ) ( )
P = tekanan design, psi = 67,957 psi
IDs = diameter dalam reactor, in = 122,4726 in
f = maksimum allowable stress, psi =23931,227 psi
E = efisiensi pengelasan = 0,80
OD
sf
ID t
OA
r a
b = depth of dish
A
C
B
A-016
C = faktor korosi, in = 0,125
th = 0,291 in
th standart = 0.250 maka dipilih tebal head reaktor standar 1/4 in
b. Menghitung tinggi head reaktor
ODs = 114 in ts
= 0,25 in
didapat : irc = 6,875 in
r = 108 in
a = IDs/2 = 56,563 in
AB = a – irc = 49,688 in
BC = r – irc = 101,125 in
AC = (BC2 - AB
2)1/2
= 88,076 in
b = r – AC = 19,924 in
Dari tabel 5.6 Brownell p.88 dengan th 21,799 in perancangan digunakan
sf = 1,5
Menghitung tinggi reaktor
Tinggi reaktor total = panjang shell + tinggi head top
HR = 3,111 m + (2*0,551) m
= 4,212 m
5. Perancangan Jaket Pendingin
Panas yang ditransfer = 46.644.733,984 kJ/jam
A-017
Kebutuhan air pendingin = 12.419,905 kg/jam
Laju Volumetrik = 273,808 m3/jam
Diameter Luar Reaktor = Diameter dalam + (2 x Tebal dinding)
= 113,125 + (2 x 0,436)
= 114 in
Jarak jaket = 10 in
Diameter Luar Jaket = Diameter luar + (2 x Jarak jaket)
= 114 + (2 x 10)
= 299,394 in
= 7,605 m
Tinggi jaket = 4,212 m
Tekanan hidrostatsi = (H-1) Pcampuran/144
= 0,042 psia
Tekanan operasi = 14,696 psia
Tekanan Design = Poperasi - Ph
= 14,654 psia
Tebal Jaket Pendingin = ( )
( )–( )
= ( )
( )–( )
= 0,308 in
Tebal jaket standart = 0,438